NANOKRISTALISASI SUPERKONDUKTOR (Bi,Pb) 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ

## DENGAN METODE PENCAMPURAN BASAH

## Lydia Rohmawati
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Surabaya Gedung C9 Lt. 1, Ketintang, Surabaya 60231 E-mail : lydia_rahma@yahoo.com
Darminto
Program Studi Magíster Fisika, Bidang Keahlian Material, Jurusan Fisika FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111
E-mail : darminto@physics.its.ac.id

## INTISARI
Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ (Bi-2212) merupakan bahan superkonduktif  yang memiliki suhu kritis ( T c ) sekitar 80 K. Pada penelitian  ini  dilakukan  sintesis  Bi-2212  murni  dan  Bi-2212  doping  Pb  dengan  menggunakan  metode pencampuran  basah,  untuk  memperoleh  ukuran  kristal  100  nm.  Hasil  sintesis  dengan  metode  tersebut dikalsinasi  dengan  variasi  suhu  400°C,  500°C  dan  600°C  selama  satu  jam  serta  780°C  selama  3  jam. Selanjutnya  dilakukan  sintering  pada  suhu  825°C  dengan  variasi  waktu  1-5  jam.  Hasil  analisis  dengan  XRD menunjukkan  bahwa  Bi-2212  tanpa  doping  dengan  sintering  selama  1-5  jam  memiliki  ukuran  kristal  yang mencapai ~ 90 nm dengan fraksi volume 68%, sedangkan Bi-2212 doping Pb dengan sintering selama 1-3 jam menghasilkan ukuran kristalnya ~ 100 nm dengan fraksi volume mencapai 85%.
Kata kunci : superkonduktor Bi-2212, nanokristalin, metode pencampuran basah, ukuran kristal, fraksi volume

## I. PENDAHULUAN
Bahan superkonduktor  suhu kritis  tinggi (SKST) umumnya berupa senyawa dengan komponen jamak dan  mempunyai beberapa fase dengan struktur yang jamak pula.  Selain  itu  sifat  anisotropis  yang berkaitan dengan    struktur    yang    berlapis    dan  efek    fluktuasi  termal    yang    berkaitan    dengan  suhu  kritis  tinggi  telah memperumit  penelaahan  bahan  ini.  Salah  satu  bahan  superkonduktor  SKST  yang  penting  adalah  sistem  Bi-Sr- Ca-Cu-O  (BSCCO),  karena  suhu  kritisnya  relatif  tinggi  dan  tidak  mengandung  unsur  yang  beracun  (Nanik, 2002).  Di  antara  superkonduktor  sistem  kuprat  berbasis  bismuth,  senyawa  berfase  Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ (Bi-2212) merupakan    bahan  superkonduktif    yang  memiliki  suhu  kritis  ( T c ),  sekitar  80  K,  mudah  membentuk  fase senyawa  dalam  padatan  polikristal  dan  tersedia  metoda  yang  tepat  untuk  penumbuhan  kristal  tunggal, menyebabkan  Bi-2212  banyak  dijadikan  model    studi    bagi  superkonduktor    berbasis    bismuth    tersebut (Darminto, 2002).
Sintesis  kristal  superkonduktor Bi-2212 dapat  ditempuh melalui beberapa metode, antara lain  metode reaksi fase padat, metode Floating Zone (FZ), metode "self-flux" dengan doping Gd (Zhao, dkk., 2000), metode ”self-fluks” dengan CaCO 3 dan CuO (Nanik, 2002), dan metode Travelling Solvent Floating Zone (TSFZ) oleh Benseman,  dkk.  (2007).  Umumnya  metode-metode  tersebut  menghasilkan  serbuk  dengan  ukuran  kristal  >100 nm dan memerlukan waktu pemanasan yang relatif lama. Dengan permasalahan seperti itu, maka pada penelitian ini  akan  dilakukan  sintesis  kristal  superkonduktor  (Bi,Pb)-2212  dan  Bi-2212  dengan  metode  metode pencampuran  basah.    Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  memperleh  sampel  ukuran  kristal  100  nm, mengetahui pengaruh pemanasan terhadap ukuran kristal dan fraksi volume pada kristal superkonduktor (Bi,Pb)- 2212  dan  Bi-2212.  Sampel  nanokristalin  superkonduktor  (Bi,Pb)-2212  dan  Bi-2212  diharapkan  dapat menunjukkan sifat feromagnetik sesuai dengan hasil penelitian sebelumnya.

## II. DASAR TEORI

## a. Struktur Dasar SKST
Sebagian besar superkonduktor suhu tinggi (SKST) merupakan material anisotropik, memiliki struktur kristal  berlapis,  panjang  koherensi  yang    pendek    dan    efek    fluktuasi  termal    yang  kuat.  Salah  satu karakteristiknya  adalah  terdapat  lapisan  CuO 2 yang  mendominasi  struktur  kristalnya.  Sebagian  besar  bahan SKST  oksida  merupakan  material  keramik  yang  pada  umumnya  memilki  butir-butir,  batas-batas  butir,  kristal kembar  (twin  kristal),  cacat  kristal,  serta  ketidaksempurnaan  struktur  lainnya.  Tidak  semua  struktur  BSCCO memberikan sifat superkonduktif, hanya struktur tertentu saja yang dapat memiliki sifat superkonduktif, sebagai contoh kristal tunggal Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ (Bi-2212).. Bahan superkonduktor di bawah pengaruh medan magnet luar menampakkan fenomena, sebagai berikut:
 Medan  magnet  eksternal  tidak  dapat  menembus  kedalam  bahan,  yang  dikenal  dengan  efek  Meissner ( Meissner effect ) yang terjadi pada daerah Meissner ( Meissner state ) dengan harga medan 0<H<H c1 .
 Superkonduktivitas masih bertahan tidak hanya didapatkan pada daerah Meissner, bahkan pada daerah yang  memiliki  rentang  harga  medan  H c1 <H<Hc 2 .  Pada  rentang  harga  medan  tersebut,  fluks  magnetik menembus pada bahan superkonduktor tidak secara homogen, melainkan secara parsial. Oleh karena itu, daerah  ini  dikenal  sebagai  daerah  campuran  ( Mixed  State ),  dimana  medan  magnetik  masuk  kedalam bahan membentuk fluks magnetik terkuantasasi dan dikenal dengan sebutan vorteks. Kristal tunggal (susunan kisi-kisi atom yang teratur dan berulang) Bi-2212 ini tidak bersifat konduktif jika  δ  (kandungan  doping  oksigen)  sama  dengan  nol,  dan  bersifat  superkonduktif  (suhu  di  bawah T c ~  suhu ketika  material  menjadi  superkonduktif),  jika  δ  lebih  besar  dari  nol.  Proses  pemberian  doping  dapat  dilakukan dengan  menambah  kandungan  oksigen  yang  membentuk  lapisan  BiO  dan  SrO  pada  sistem  Bi-Sr-Ca-Cu-O. Penambahan  ion-ion  oksigen  ini  akan  mempengaruhi  keadaan  elektron-elektron  pada  bidang  kuprat  sehingga mengakibatkan  ketidakseimbangan elektronik. Untuk  menjaga kesetimbangan  muatan, elektron akan berpindah dari bidang kuprat sehingga menyisakan lubang ( hole ), dan menimbulkan mobilitas pembawa muatan. Pada suhu di bawah T c , peristiwa ini disertai pembentukan pasangan Cooper yang memunculkan gejala superkonduktivitas. Dari sini dapat dipahami bahwa konduktivitas “pembawa muatan” dari “reservoir” ke dalam bidang CuO 2 secara bertahap  akan  menaikkan  koduktivitas  dalam  bidang  ab.  Perlu  dicatat  bahwa  konduktivitas  bidang  kuprat meningkat  dengan  penambahan  pembawa  muatan  sehingga  superkonduktivitasnya  akan  meningkat.  Setelah mencapai  batas  tertentu  (penambahan  doping  telah  optimal),  konduktivitasnya  akan  menurun,  hingga  akhirnya hilang, demikian pula suhu kritisnya (Purwandana, 2005).

## b. Sifat Feromagnetik pada Partikel Nano
Telah diketahui bahwa material dengan sebagian pengisi kulit d atau f membuktikan dapat memperbaiki sifat magnetik, di mana tidak adanya pasangan elektron pada sub kulit d atau f. Tahun yang lalu, sifat feromagnet diatas temperatur ruang telah diamati pada beberapa material yang elektronnya tidak berpasangan pada sub kulit d  atau  f.  Hexaboride  alkali  tanah  dapat  bersifat  feromagnet  pada  suhu  tinggi,  seperti  yang  dilaporkan  oleh Young,  dkk.  (1999).  Begitu  juga  pada  kurva  histerisis  feromagnetik  dan  suhu  Curie  yang  tinggi  dapat  diamati dengan  adanya  pemancaran  proton  oleh  graphit  (Esquinazi  dkk,  2002).  Awalnya,  sifat  feromagnetik  muncul dengan  adanya  peningkatan  kekosongan  oksigen  pada  permukaan  partikel  nano  tetapi  pada  penelitian  mereka ditunjukkan  bahwa  kristal  YBCO  123  setelah  diproses  dengan  pemberian  tekanan  partikel  nano  ke  dalam rectangular  bars ,  kemudian  dilakukan  anil  pada  suhu  tinggi  dan  dilakukan  pengukuran  pada  suhu  ruang, material  tersebut  memperlihatkan  perilaku  feromagnetik  dengan  titik  koersif    ~  300  Oe,  di  mana  material tersebut  dalam  bentuk  ukuran  nano  dengan  suhu  kritis  91  K,  seperti  pada  Gambar  1.  Tetapi  pada  suhu  300  K partikel tersebut tetap menunjukkan perilaku magnetik, yakni sifat feromagnetik dengan titik koersif ~ 200 Oe. Sebaliknya  jika  suhunya  di  bawah  suhu  kritis,  kristal  tersebut  menunjukkan  sifat  superkonduktif,  di  mana menolak medan, artinya nilai magnetisasinya negatif (diamagnetik).
Gambar 1 . Kristal YBCO 123 pada kurva histerisis.

## III. METODE PENELITIAN
a. Sintesis Bi-2212 dan (Bi,Pb)-2212 Bahan  dasar  Bi 2 O 3 ,  SrCO 3 ,  CaCO 3 ,  CuO  de  ngan  perbandingan  2:2:1:2  masing-masing  dilarutkan dengan  larutan  HNO 3 dan  aquades.    Selanjutnya,  bahan  dikeringkan  pada  suhu  400˚C,  500˚C,  600˚C,  dan dikalsinasi 780˚C selama  3 jam. Setelah itu, bahan  mengalami sintering 825˚C dengan  variasi  waktu 1-5 jam. Hal ini dilakukan utuk mengetahui ukuran kristal  100 nm. Setiap jam bahan dikarakterisasi dengan uji  XRD ( X-Ray Diffraction ). Tahapan sintesis ini sama dengan (Bi,Pb)2212 dengan komposisi Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ .

## b. Karakterisasi Sampel
Pola difraksi yang diperoleh dianalisis dengan menggunakan metode Rietveld. Pencocokan pola difraksi terukur dan pola difraksi terhitung (penghalusan Rietveld) dilakukan dengan Peak Shape Function (PSF) Voigt menggunakan  perangkat  lunak  Rietica.  Asumsi  yang  digunakan  adalah  ukuran  kristal  yang  berkontribusi  pada komponen Lorentzian yang dideskripsikan oleh persamaan Scherer, yaitu
D H L   sec  (1)
atau
LS L H H D   
(ukuran kristal), (2)
dengan H LS =  MgO  standard  ITS  =  0,000523  radian,  dan  λ  =  0.154051  nm  (panjang  gelombang  sinar  –  X). Parameter-parameter  yang  dihaluskan  ( refined )  antara  lain:  parameter  global  (s ample  displacement  and background ), faktor skala, parameter kisi, parameter termal, fakrot asimetri, dan posisi atom.  Data kristalografi dari BSCCO 2212 diperoleh dari data ICSD.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  pengujian  dengan  XRD  menunjukkan  pola  difraksi  pada  bahan  Bi-2212  dan  Bi,Pb  2212  untuk tiap jam terlihat pada Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2 . Pola difraksi sampel Bi-2212
Gambar 3 . Pola difraksi sampel (Bi,Pb)2212
Berdasarkan  Gambar  2  diketahui  bahwa  fraksi  volume  Bi-2212  hasil  sintering  tiap  jam  berbeda-beda, yakni fraksi volumenya 40,3% (1 jam), 51,8% (2 jam), 57,29% (3 jam), 60,9% (4 jam) dan 68,2% (5 jam). Hal ini berarti dengan  meningkatnya  waktu  sintering  memicu pertumbuhan  fase Bi-2212.  Selanjutnya berdasarkan
0 20 40 60 80 100 Int en si tas 2Theta (Bi,Pb)22 12 1 ja m 3 ja m 2 ja m 0 20 40 60 80 100 Intens itas 2Theta Bi 2212 1 ja m 3 ja m 2 ja m 4 ja m 5 ja m
Gambar 3,  fraksi volume meningkat dengan waktu sintering pada  (Bi,Pb)-2212 tiap jam : 76,9% (1 jam), 78,1% (2  jam),  dan  85,2  %  (3  jam).  Hal  ini  berarti  dengan  adanya  penambahan  Pb  pada  Bi-2212  dapat  memacu pertumbuhan  fase  yang  cepat  dibandingkan  sampel  tanpa  doping  Pb.  Ukuran  kristal  dapat  dihitung  dengan menggunakan  persamaan  (2);  data  kristalografi  Bi-2212  berdasarkan  ICSD  66448,  sedangkan  (Bi,Pb)2212 menggunakan  ICSD  39752.  Hasilnya,  hubungan  dalam  bentuk  grafik  ukuran  kristal  terhadap  waktu  sintering, seperti terlihat pada Gambar 4.
Ukuran Kristal terhadap waktu sintering 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 t sintering (jam) D (n m ) Bi-2212 (Bi,Pb)2212
Gambar 4 . Grafik ukuran kristal terhadap waktu sintering untuk kedua sampel
Dengan  demikian,  semakin  lama  dilakukan  sintering,  ukuran  kristal  bahan  tersebut  semakin  membesar, dikarenakan  terjadinya  proses  pertumbuhan  fasa  lebih  lanjut,  sehingga  terjadi  penggabungan  antar  butir    dan butir  berkembang  menjadi  besar.  Perbedaan  antara  fase  Bi  2212  tanpa  dan  dengan  penambahan  Pb  tampak terlihat jelas terutama pada lamanya sintering, di mana Bi-2212 murni untuk mencapai ukuran kristal ~ 100 nm membutuhkan  waktu  hingga  5 jam, sedangkan sampel dengan doping Pb hanya  membutuhkan  waktu sintering hingga 3 jam. Hal ini berarti ion Pb mempercepat pertumbuhan fase 2212 dalam sampel.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Telah berhasil disintesis dalam penelitian ini superkonduktor Bi – 2212 nanokristalin sampai ~ 100 nm baik  tanpa  doping  Pb  maupun  dengan  doping  Pb  melalui  percampuran  basah  menggunakan  HNO 3 .  Digunakan penambahan Pb pada Bi-2212 adalah untuk mempercepat proses pembentukan dan penumbuhan kristal Bi-2212. Lamanya  proses  sintering  mempengaruhi  ukuran  kristal  dan  fraksi  volume  fase  2212  yang  terbentuk.  Dengan adanya  serbuk  berukuran  kristal    ~  100  nm  pada  (Bi,Pb)  2212  diharapkan  dapat  dilakukan  kajian  lebih  lanjut sifat – sifat uniknya maupun potensi aplikasi praktisnya.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Sebagian  penelitian  ini  dibiayai  oleh  proyek  penelitian  Hibah  Kompetensi,  DP2M,  Ditjen  Dikti, Depdiknas, tahun 2008, dan untuk itu peneliti mengucapkan terima kasih.

## DAFTAR PUSTAKA
Benseman,  T.M.,  Cooper,  J.R.,  Balakrishnan,  G.,  2007,  “In-plane  oxygen  diffusion  in  single  crystals  of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ , Physica C 468 , 81–87.
Darminto, 2002, “Karakteristik  Fase  Gelas  Vorteks  dalam  Kristal  Tunggal  Superkonduktor (Bi,Pb) 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ ”, Jurnal Ilmu Dasar 3 (2), 66-73.
Esquinazi,  P.,  Setzer, A., Höhne,  R., Semmelhack, C., Kopelevich, Y., Spemann,  D., Butz, T., Kohlstrunk,  B., Lösche, M., 2002, “Ferromagnetism in oriented graphite samples” Phys. Rev. B 66 , 024429.
Nanik, Y., 2002, “Pengaruh Kadar Fluks CaCO 3 dan CuO pada Pembentukan Kristal Superkonduktor Bi-2212”, Jurnal Ilmu Dasar 3 (1),  8-14.
Purwandana,  A.,  2005,  “Resistivitas  pada  Fase  Vorteks  Cair  dari  Kristal  Tunggal  Superkonduktor Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ dengan Tingkat Doping Berbeda”, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
Young,  D.P.,  Hall,  D.,  Torelli,  M.  E.,  Fisk,  Z.,    Sarrao,  J.  L.,  Thompson,  J.  D.,  Ott,  H.-R.,  Oseroff,  S.    B., Goodrich,  R.  G.,  Zysler,  R.,  1999,  “High-temperature  Weak  Ferromagnetism  in  a  Low-density  Free- Electron Gas ”, Nature 397 ,  412-414.
Zhao,  Y.,  Zhang,  H.,  Feng,  D.P.,  Liu,  Y.G.,  Hou,  X.F.,  Han,  S.H.,  2000,  “Growth  and  Annealing    Effect    on Resistivity  Anisotropy    of    Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 Single  Crystals”, Department    of      Physics ,  Peking University, Beijing.